黄土塬单边定向钻穿越轨迹设计方法研究

王晓霖，李延金，孔令新，张建强

（中原石油勘探局勘察设计研究院，河南濮阳 457001）

黄土塬单边定向钻穿越轨迹设计方法研究

王晓霖，李延金，孔令新，张建强

（中原石油勘探局勘察设计研究院，河南濮阳 457001）

单边定向钻是黄土塬地区的一种新型管道穿越技术，具有穿越距离长、高差大、施工效率高、坡体干扰小等优点，适用于大型黄土冲沟、陡坎的一次性穿越。目前，国内外缺乏单边定向钻的技术规范，设计施工以经验为主。文章研究了单边定向钻穿越线路设计方法，建立直线穿越轨迹和弧线穿越轨迹的设计依据，并以榆济管道为工程背景，介绍了单边定向钻穿越黄土冲沟的线路设计。研究成果不仅为榆济管道冲沟穿越提供了技术依据和指导，也有助于单边定向钻技术的完善和推广。

黄土塬；管道穿越；单边定向钻；轨迹设计

0 引言

随着我国长输管道的快速发展，管道穿过黄土塬地区越来越多。黄土塬地区地形复杂，地面支离破碎，梁峁、冲沟遍布，次生灾害较多，给管道建设带来巨大困难。特别是一些大型冲沟、高陡边坡的穿越，成为管道工程中的重点和难点。

传统上，黄土塬地区管道采用明沟开挖的敷设方式，该方法土方量大，水土保持工程量大，不适用于高陡边坡穿越。其次，应用人工斜井可以实现黄土冲沟和土山穿越[1]，但斜井施工进度慢、安全隐患大，受到人工作业和穿越距离的限制，仅适用中小型冲沟和陡坎穿越。

近年来，随着定向钻技术的发展和黄土塬管道穿越工程的增加，单边定向钻技术应运而生。作为水平定向钻技术的扩展应用，它采用定向钻机在冲沟或坡体顶部，沿坡势进行单向钻孔作业，成孔后在坡顶将管道送入孔中并溜至坡底，从而实现黄土冲沟、陡坎穿越[2]。单边钻穿越距离长，穿越高差大，施工效率高，泥浆用量少，对坡体干扰小，对生态脆弱、水资源有限的黄土塬地区非常适用[3-4]。然而，作为一种新的扩展方法，单边定向钻技术标准缺乏，水平定向钻的设计和作业方法难以满足这种特殊的穿越方式。工程中，设计和施工多依靠经验，难免出现各种问题，不当的设计还可能引发施工事故甚至导致穿越失败。因此，有必要研究针对单边定向钻的技术方法。本文以榆林—济南天然气输送管道为工程背景，研究黄土塬单边定向钻穿越线路设计方法，为穿越工程设计提供依据和指导。

1 单边定向钻穿越方法

黄土塬地区地形地貌复杂，生态环境脆弱，并且黄土具有疏松性、湿陷性、直立性等特殊物性，在外界干扰条件下容易发生坍塌、滑坡等次生地质灾害。因此，穿越设计必须首先考虑施工的可行性。尤其是要使用定向钻机这种大型装备，钻机的通行和安装需要满足地形和地质条件的要求。穿越线路设计时，还应当考虑坡体自身稳定性，并避开发育中的冲沟。穿越步骤如下：

（1）工程地质勘察。确定坡体土质特征和稳定土层分布范围，分析确定单边定向钻的可行性。根据地形条件，初步确定定向钻入土点和出土点的位置，坡顶入土点满足钻机施工和预制管道的要求。为了保证施工作业安全，钻机距离坡边的安全距离应在10 m以上[5]。

（2）单边定向钻线路轨迹设计。线路应位于稳定土层内，埋深满足管道设计要求，且坡顶入土角满足钻机参数要求。

（3）钻孔施工作业。按设计轨迹钻导向孔，按管道安装要求扩孔。钻孔过程使用泥浆作循环液，防止因水侵蚀而发生钻孔中湿陷、坍塌等次生灾害。

（4）管道安装与孔洞回填。黄土塬地区受施工设备运输影响，可用挖掘机、卷扬机配合吊装，采用整体或分段预制，探伤合格后实施溜管作业。出口用灰土分层夯实封堵，从入口灌注稠泥浆，灌注稠泥浆可分一次或几次进行直至灌满。入口处用灰土分层夯实，并做水工保护处理。

2 穿越轨迹设计研究

2.1 穿越轨迹为直线

根据地质勘察结果，在初选的定向钻入土点和出土点间作直线，如果该直线位于坡体稳定土层以内，管道达到设计埋深要求，线路倾角满足钻机作业参数，则该直线可以作为单边定向钻穿越线路轨迹。

以直线作为线路轨迹不仅便于设计，也降低了施工作业难度，因此，当冲沟或陡坎地形、地质条件较好时，应当首先考虑采用直线穿越轨迹。

2.2 穿越轨迹为曲线

如果直线线路位于不稳定土层内，或者地形条件导致部分区域埋深达不到设计要求，则应采用曲线轨迹穿越以增加线路埋深。曲线穿越轨迹确定方法如下：

建立如图1所示的单边定向钻穿越示意图，图1中虚线为冲沟或陡坎轮廓，曲线ABCDE为穿越线路轨迹。

式中S——施工时钻机入土直线段长度；

R、R′——分别为上、下部弧线曲率半径；

h——线段AE与DC的距离。

单边定向钻成孔后，管道安装通常采用从上向下溜管的方法，对于弧形线路，应满足管道弹性敷设要求，因此有R≥1 200 D、R′≥1 200 D（D为管道直径）[6]。

按上述线路轨迹，则坡顶钻机入土角θi和坡底出土角θe为：

上式即为弧形穿越轨迹极限长度，其工程意义如下：

当确定单边定向钻入土点A、出土点E和入土角后，如果两点的距离LAE≥Lmin且线路埋深达到要求，则弧形线路轨迹设计可行；否则应重新选择入土角，并再次核算；如果入土角超过定向钻机最大额定参数，则应重新选取钻机入土点，并按上述方法重新进行线路轨迹设计。

当S、R和R′选定后，即可根据上述方法确定单边定向钻弧形穿越轨迹。为了方便设计，可取R=R′=1 200 D。

3 设计案例

应用上述方法，对榆济输气管道大型冲沟穿越进行单边定向钻方案设计。榆济管道自西向东经过毛乌素沙漠、黄土高原、吕梁山、太岳山、太行山和华北平原，全长1 045 km，其中黄土塬地区长为281 km，穿越大型黄土冲沟、陡坎20余次。

3.1 案例一：定向钻线路轨迹为直线

榆济管道第三标段穿越黄土冲沟，陡坎坡度15°～35°、坡高86 m，上覆第四系风积层和冲洪积层黄土。陡坎两侧冲沟发育，明沟大开挖施工难度大，设计采用单边定向钻穿越。由于坡体土质稳定性较好，设计最小穿越埋深3 m。根据地形条件和施工要求，确定坡顶穿越起点和坡底终点位置，起点里程1+644 km，终点里程1+901 km。在起点和终点间的连接直线上，线路各点均达到设计埋深要求，以该直线做为单边定向钻线路轨迹，穿越长度为175 m，入土角为27°59′。根据上述方案，完成该陡坎单边定向钻线路设计，如图2所示。

3.2 案例二：定向钻线路轨迹为弧线

榆济管道第六标段穿越黄土梁，纵向呈阶梯状下降，台阶坡高3～5 m，台阶坡角多数大于60°，部分近于直立。上覆马兰黄土，覆层厚度大于50 m。明沟大开挖土方量巨大，工程量大，周期长，设计采用单边定向钻穿越。坡体土质稳定性较好，设计最小穿越埋深3 m。根据地形条件和施工要求，初步确定坡顶穿越起点和坡底终点位置，起点里程7+305 km，终点里程7+591 km。在起点和终点间的连接直线上，线路上多处高出坡体地表，最大高于地表2.3 m，显然不能实现直线轨迹要求，因此改为弧形穿越轨迹，如图3所示。

在起点和终点间作直线，有LAE=198 m，根据不同入土角计算Lmin和h，线路最小埋深要求为：h-2.3≥3 m，计算结果列于表1中。由表1可知：

（1）当入土角小于26.25°时，线路埋深均达不到设计要求。

（2）当入土角等于26.25°时，Lmin＜LAE且最小埋深满足设计要求。

（3）当入土角大于等于26.25°时，线路埋深达到要求，但是Lmin＞LAE，无法成弧。

根据上述计算结果，确定单边定向钻的入土角为26.25°，线路长198 m，中部直线段4.7 m。

表1 案例二的计算结果

4 结论

针对黄土塬单边定向钻穿越，提出了线路轨迹的设计方法。设计时，应首先考虑直线穿越轨迹，以降低设计施工难度；当地形复杂或管道埋深达不到要求时，应采用曲线穿越轨迹。建立曲线穿越轨迹的计算方法，并根据管道弹性敷设要求，提出曲线轨迹极限设计准则。应用本文方法完成的榆济管道黄土塬单边定向钻穿越轨迹设计案例，为穿越工程的设计和施工提供了依据和指导。

单边定向钻穿越距离长、高差大、施工效率高、对坡体干扰小，对于黄土塬地区大型冲沟和陡坎穿越具有显著优势。建议尽快制订和完善相关技术规范，确保设计施工安全可靠，以便于单边定向钻技术的推广应用。

[1]梁国俭.黄土塬地区管道施工方法——斜井穿越法[J].石油工程建设，2007,33（3）:23-25.

[2]吴勇.一种实用的黄土塬地带管道施工方法[J].石油工程建设，2008,34（4）:40-41.

[3]孟强，崔建洋，谭利军，等.单边定向钻用于冲沟、陡坡管道穿越施工有效保护生态环境[J].石油工程建设，2010,36（3）:69-70.

[4]张海燕，马霖，杨辉荣，等.定向钻斜井在兰郑长管道施工中的应用[J].石油化工建设，2009,35（5）:71-74.

[5]赵文明，侯学瑞，周西顺.单边定向钻在大型黄土冲沟管道施工中的应用[J].石油工程建设，2008,34（1）:62-63.

[6]GB 50423-2007，油气输送管道穿越工程设计规范[S].

Design of Drill Path for Pipeline Crossing Loess Gully with Single-sided Directional Drilling

WANG Xiao-lin（Zhongyuan Engineering Company of Zhongyuan Oilfield，Puyang 457001， China）,LI Yan-jing,KONG Ling-xin,et al.

Single-sided directional drilling （SDD） is employed as a new method for pipeline crossing loess gullies in recent years,which has practically proved to be feasible for large gully and steep slope crossings for its obvious advantages in crossing distance,crossing height,construction efficiency and slope stability.Because there is no reliable guideline or standard for it,SDD is almost designed and constructed by experience.This paper introduces a method for bore planning of SDD crossing in which bore plannings of linear drill path and curve drill path are designed respectively.Finally,two typical cases of pipeline crossing loess gullies in Yulin-Jinan Gas Pipeline Project are designed and constructed with proposed method.The drill path designs give the effective guideline for gully crossing construction in Yulin-Jinan Gas Pipeline.Moreover,it could also help to improve and extend the technology of SDD.

loess plateau;pipeline crossing;single-sided directional drilling;design of drill path

TE973.4

A

1001－2206（2011）05－0001－03

中国博士后基金资助 （20100471012）

王晓霖 （1977-），男，河南南阳人，博士，2009年毕业于中国石油大学 （北京）油气工程力学专业，主要从事油气工程建设方面的研究工作。

2011-02-25